【導讀】無(wú)論身在何處，我們對于無(wú)時(shí)無(wú)刻地觀(guān)看視頻內容已經(jīng)習以為常。但對負責、構建和維護底層網(wǎng)絡(luò )的幕后工作者而言，事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，消費者日益提升的期望給他們帶來(lái)了重重難題。
無(wú)論身在何處，我們對于無(wú)時(shí)無(wú)刻地觀(guān)看視頻內容已經(jīng)習以為常。但對負責、構建和維護底層網(wǎng)絡(luò )的幕后工作者而言，事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，消費者日益提升的期望給他們帶來(lái)了重重難題。
當今和未來(lái)的蜂窩與通信網(wǎng)絡(luò )需要為海量用戶(hù)提供出色的數據傳輸速率，因此其運作方式與以往的網(wǎng)絡(luò )截然不同。
對于現代高速數據網(wǎng)絡(luò )，讓網(wǎng)絡(luò )內所有基站、服務(wù)器和節點(diǎn)之間的時(shí)間保持同步極為重要。授時(shí)讀數的誤差越小，能為網(wǎng)絡(luò )配置的數據處理量就越大，這樣運營(yíng)商就能更有效地利用頻率和其他資源，提高這些付費資源的成本效益。
許多設備都使用全球導航衛星系統(GNSS)來(lái)確保網(wǎng)絡(luò )各部分保持同步。GNSS有著(zhù)準確度高、成本效益高、易于安裝、全球可用的特點(diǎn)，因此通常是首選方案，優(yōu)先于基于網(wǎng)絡(luò )的授時(shí)技術(shù)。
過(guò)去的GNSS網(wǎng)絡(luò )授時(shí)同步使用的是單頻段接收機，需要衛星發(fā)出的L1頻段信號通播。
L1頻段GNSS面臨的挑戰
3GPP對于基站天線(xiàn)接口的基本授時(shí)要求是1.5μs，但5G服務(wù)顯然需要更高的時(shí)間精度。這通常不容易實(shí)現，尤其現實(shí)生活中復雜的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境更加大了實(shí)現難度。
除了網(wǎng)絡(luò )相關(guān)問(wèn)題之外，還有多種因素會(huì )影響到設備接收L1頻段GNSS信號。而這又會(huì )進(jìn)一步影響網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)的授時(shí)數據的可靠性和準確性。
我們來(lái)簡(jiǎn)單了解一下其中的三個(gè)主要問(wèn)題。
GNSS信號干擾
對任何使用GNSS的設備而言，干擾都是一項持續不斷的威脅，可能導致單頻接收機完全無(wú)法使用GNSS信號。從授時(shí)的角度來(lái)看，設備通常配有某種類(lèi)型的原子鐘，用來(lái)在GNSS中斷期間實(shí)現保持。但這只能在有限的時(shí)間內提供必要的授時(shí)精度水平，通常僅有幾個(gè)小時(shí)。
電離層延遲
對于在開(kāi)放天空環(huán)境中工作的GNSS接收機，主要誤差來(lái)源是電離層延遲，這造成授時(shí)精度持續發(fā)生偏差。影響電離層延遲水平的因素包括接收設備所在緯度、一天當中的時(shí)間和一年當中的時(shí)間，還有太陽(yáng)活動(dòng)水平。太陽(yáng)活動(dòng)周期通常為11年，低水平的太陽(yáng)活動(dòng)已經(jīng)保持了一段時(shí)間，2025年前后，我們將迎來(lái)一次太陽(yáng)活動(dòng)高峰。
通常用來(lái)解決電離層延遲的方法是使用GPS Klobuchar等數學(xué)模型，或使用例如星基增強系統(SBAS)增強服務(wù)，但這兩種方法都并非適用于所有情況。數學(xué)模型采用純粹的先驗方法，因此存在固有的限制。與此同時(shí)，SBAS僅在全球部分地區可用，為了保證接收到對地靜止型SBAS衛星發(fā)射的信號，需要在朝向赤道的方向具有開(kāi)闊的天空視野。
多徑效應
對于在城市和其他障礙物重重的環(huán)境中工作的設備，還有另外一個(gè)影響GNSS信號接收的問(wèn)題：多徑效應。多徑效應特別容易影響窄帶GNSS L1信號，會(huì )引起設備訪(fǎng)問(wèn)的授時(shí)數據出現誤差。
在障礙物較多的環(huán)境中，5G網(wǎng)絡(luò )需要更多基站，還需要更高水準的授時(shí)精度來(lái)支持更高的吞吐量，這造成多徑效應日漸成為困擾5G網(wǎng)絡(luò )設計者和構建者的一大難題。此外，即便能解決多徑效應問(wèn)題，此類(lèi)設備所處環(huán)境的天空視野通常較為受限，幾乎不可能使用SBAS來(lái)補償電離層延遲。
借助雙頻段GNSS提高授時(shí)精度
在設計蜂窩通信網(wǎng)絡(luò )和其他通信網(wǎng)絡(luò )中使用的設備（無(wú)論其具體應用位置如何）時(shí)，設計人員確實(shí)面臨著(zhù)這些挑戰，但也有令人欣慰的好消息。
當L1頻段GNSS信號設計于數十年之前，主要用于軍事應用的同時(shí)，現今也有現代化的GNSS信號在同步通播。這些現代化信號使用1176.45 MHz的L5頻段，其設計之初就以現代民事應用為中心。
對于授時(shí)應用，L5頻段信號的價(jià)值在于配合L1頻段信號組成雙頻段設置。為了說(shuō)明這種差異，我們以u-blox雙頻GNSS接收機為例，該接收機的授時(shí)精度為5ns內，而單頻接收機為20ns。
GPS、Galileo和北斗GNSS星座如今均為其部分或全部衛星通播L5信號。
因此，您只需選擇一款能夠使用全部這三個(gè)星座的GNSS接收機，即可在世界任何地點(diǎn)接收到L5頻段信號。在設計中，您唯一需要調整的地方就是將單頻段GNSS接收機和天線(xiàn)改換為雙頻段型號。
此外，印度的區域導航系統NavIC支持L5頻段。因此，一款全球雙頻段L1+L5設計也能滿(mǎn)足區域性要求。
應對重大授時(shí)挑戰
雙頻段L1+L5 GNSS接收機和天線(xiàn)可幫助設計工程師應對前述授時(shí)挑戰。
面對干擾攻擊時(shí)表現出更高的適應能力
與L1頻段一樣，L5頻段也屬于航空無(wú)線(xiàn)電導航服務(wù)(ARNS)頻段，因此會(huì )受到良好的干擾防護和監管。此外，雙頻段工作方式可避免單頻段干擾器的侵擾，即便出現這種情況，設備仍能通過(guò)另一個(gè)不受干擾的頻段獲取授時(shí)信息。
如圖1所示，在干擾期間，授時(shí)誤差會(huì )有所增加，但在大多數使用場(chǎng)景中，誤差都不會(huì )超過(guò)可接受的容差范圍。
圖中還強調了在干擾結束時(shí)雙頻段工作模式能非常迅速地恢復正常工作，大幅降低授時(shí)方差。
在不使用模型或校正數據的情況下應對電離層延遲
電離層延遲會(huì )對L1頻段和L5頻段的頻率產(chǎn)生不同的影響。重點(diǎn)在于，我們已經(jīng)知曉這其中的關(guān)系，所以如果您通過(guò)兩個(gè)頻段接收信號，可以計算出實(shí)際的電離層延遲，不必依靠模型進(jìn)行預測，也不必使用校正服務(wù)。
因此，授時(shí)誤差可保持在更小的范圍內，如圖1所示。
圖1，來(lái)源：u-blox
在城市和障礙物較多的環(huán)境中提供更出色的性能
與窄帶L1信號相比，寬帶L5信號更不易受到多徑效應的影響，以直接減少授時(shí)數據誤差。
此外，更現代化的L5信號設計包含前向糾錯，為信號較弱的環(huán)境（比如城市和障礙物較多的環(huán)境）提供了額外的保障，有助于防范可能出現的比特誤差。
如圖2所示，在受多徑效應影響的區域中，L1和L5頻段信號的剩余誤差都要小得多。
圖2，來(lái)源：u-blox
提高網(wǎng)絡(luò )投資回報率的時(shí)機已經(jīng)來(lái)臨
對高吞吐量數據網(wǎng)絡(luò )的需求不斷增長(cháng)，這促使業(yè)界更加關(guān)注通過(guò)可靠的方法在所有網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間保持時(shí)間數據嚴格同步的需求。
傳統L1 GNSS信號素有準確、經(jīng)濟的優(yōu)勢，不足之處在于容易受到干擾和多徑效應的影響，也會(huì )受到電離層延遲的影響。所有這些因素都會(huì )影響到網(wǎng)絡(luò )中的授時(shí)精度。
將現代L5 GNSS信號與L1信號配合使用可以解決這些問(wèn)題，為您的網(wǎng)絡(luò )提供一致性更高的授時(shí)數據。因此，您可以為網(wǎng)絡(luò )配置更高的數據處理量，進(jìn)而改善客戶(hù)體驗，提高網(wǎng)絡(luò )投資回報率。
u-blox提供一系列高精度雙頻段GNSS授時(shí)模塊，包括LEA-F9T、ZED-F9T和NEO-F10T，而且均滿(mǎn)足5G時(shí)間同步要求。
文章來(lái)源： ublox
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